电磁场与电磁波的教学改革实践

仲爱民

[摘 要] 电磁场与电磁波课程概念抽象、理论性强、公式计算复杂，一直被认为是电类专业教师不好讲授、学生难以听懂的课程之一。但是该课程又是电子大类学生必修的专业基础课，学科地位十分重要。近年来，从应用型本科的教学特点出发，对电磁场与电磁波教学内容进行了系统的研究，教学中尝试了主线教学法等一系列的方法改革，调动了学生的积极性，在教学效果方面取得了一定的成绩。

[关 键 词] 电磁场与电磁波；主线教学法；教学改革

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）22-0134-02

一、电磁场课程特点与教学中容易出现的问题

（一）课程特点

电磁场与电磁波是一门理论性很强的专业基础课，目前，全国的本科院校中，电子信息、通信工程等电专业都将其作为基础必修课程。这门理论课数学知识运用较多、理论也较抽象。如果不能很好地将数学工具、物理概念及原理结合起来，学生很难理解知识的内涵。电磁场与电磁波包括矢量分析、静电场、恒定磁场、时变电磁场、均匀平面电磁波、导行电磁波、电磁辐射等内容。虽然它们之间既有共性又有个性。但是在学习中要求将抽象思维和逻辑推理相结合，学生往往不容易掌握。

（二）教学中容易出现的问题

（1）老师在教学中认为该课程太难，与学生互动务必效果不佳，因而采用传统的“填鸭式”的教学方法，课程内容只是介绍定义是什么、公式哪里来的，缺少推导的详细过程和理论的实际应用，学生听半天，重点和难点不知在哪里。甚至出现老师滔滔不绝，学生昏昏欲睡的情况。（2）学生在学习过程中反映需要记忆的公式和概念太多，而电磁场属于看不见摸不着的物质存在，大小和方向还在不断地变化，不像电路、模拟电子技术那样分析有思路就可以进行直接理论计算，所以课堂上只能被动地记笔记、看书上的例题和老师的PPT。（3）以前的考核内容是授课老师习惯按照总共10道题，每题10分的形式，这样既没有照顾学生的基础差异，又偏向于数学理论计算，学生学完后，好多概念没有理解透彻，考试过了也不知道学得什么。

二、課程教学改革方法

（一）实施主线教学法

在教学中，笔者将电磁场与电磁波内容进行了总结、归纳，实施了主线教学法，取得了不错的效果。所谓主线教学是指根据电磁场课程特点和学生需求，理出整体解读的视点，并据此分层布点、逐点融通、层层推进，力求教学点之间内通外联，实现了局部教学目的与整体教学目标相契合，进而明晰了学习思路，引导学生与教师高效对话的一种教学方式。

教学中，笔者将电磁场与电磁波课程的主线具体定为“三度三大一组四传播”，即为：三度（梯度、散度、旋度）基础；三大实验定律（库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律）；一组积分与微分方程（麦克斯韦方程组的积分和微分形式）；四种传播（均匀平面波在无界空间的传播、多层媒介中的电磁波传播、导波系统中的电磁波传播与天线向空间的电磁波传播）。这样一来，学生在学习中任务非常明确，哪个部分自己掌握了，哪些部分还需要重点攻关都能心中有数。比如，在矢量分析一章中，要求学生在理解标量和矢量的基础上，更要理解梯度、散度和旋度的意义，三度在直角坐标系中的计算。在此基础上，由其定义和数学表达式，推导出散度定理、斯托克斯定理，结合电磁场内容，理解无旋场、无散场以及拉普拉斯运算和亥姆霍兹定理。

（二）强化公式的推理分析

电磁场中所有的公式和结论都来自于前面知识的推理和总结，讲课中应环环相扣，来龙去脉交代清楚才能吸引学生，老师也好讲。如在介绍静态电磁场时，应明确静态电磁场是电磁场的一种特殊形式，当场源即电荷量不随时间变化时所激发的电场、磁场也不随时间变化称为静态电磁场。这样一介绍，学生首先明确了静电场的概念。由麦克斯韦方程组推出静电场的基本方程，强调其重要性是静电场的基本方程揭示了静电场的基本性质，是分析计算静电场问题的基础。再通过设疑问引出高斯定理对静电场虽然适用，但是对电场分布具有某种对称性的电场才能应用此定律来计算电场分布，也是计算这类对称性电场的重要方法。

同样，在场源随时间变化的情况下，电场和磁场相互激励在空间形成电磁波。时变电磁场的能量以电磁波的形式进行传播。在时变电磁场中引入矢量位和标量位两个位函数的目的是能简化波动方程的求解过程。均匀平面电磁波在无界理想媒质中传播时，电场强度矢量和磁场强度矢量的振幅不变，它们在时间上同向，在空间上互相垂直并与电磁波传播方向垂直，三者构成右手螺旋关系。这样介绍能激发学生兴趣，期望进一步了解后面相关内容。

（三）选取典型例题进一步加深对概念的理解

在教学中，通过一系列典型题目将复杂的问题简化。如在介绍梯度的概念时，举例有一座山，高度80米，山顶与山脚下的温差为30℃，三个人登山，坡度较小的为200米，较大的为100米，而垂直攀岩的是80米，计算一下三个人运动中的温度变化率，这样引入梯度概念学生感觉非常自然。再如介绍趋肤深度概念，为什么潜艇在海底通信时使用声呐而不用无线电，通过引入海水的媒质参数和预设无线电频率，代入相关公式运算，电磁波在海水中的衰减一目了然。这样的例题还有好多。总之，讲例题，必须精雕细选，而不是有一题就讲一题。

（四）运用多媒体形象化教学

多媒体教学不能简单地理解为用PPT代替传统的粉笔+黑板，而是在可能的情况下，将图片、视频、动画、仿真等引入教学过程中，使教学内容丰富、形象。如合理运用Matlab软件，课堂上编写较为简单的Matlab程序，进行小规模电磁场数值计算。又如用动画演示平面电磁波在多种媒质交界面形成反射和透射过程，TE10波在矩形波导内电磁场的传播，开路或短路条件下平行线上电压和电流驻波的形成和变化等。

（五）注重与实际应用结合

电磁场与电磁波课程为什么重要，原因之一就是在工程上获得广泛的应用。金属外壳的汽车为什么能够防止雷击？可结合静电场的原理解释。屏蔽室金属厚度如何计算？良导体中的均匀平面波传播常数可以计算获得。天线为什么设计成各种形状？因为天线传播的极化形式不同。类似的应用还有很多，需要老师的知识积累和不断的学习。

（六）考试内容改革

应用型本科教育强调能力的培养、知识的掌握和应用，现行学生学业成绩评价重理论轻实践、重记忆轻实用必须改变。笔者在考试内容上，概念部分占20%、证明题占10%、计算题占30%、实践应用题占40%。同时平常测试、作业、课堂提问占30%，结束考试成绩占70%。结果证明，考试能有效拉开档次，平时不注意听讲的学生，仅靠考试之前的突击并没有多大效果，而那些喜欢课堂和课后提问的，常到图书馆查资料的学生则成绩均优异。

三、教學改革效果分析

电磁场与电磁波教学改革已先后在两个年级九个班共430名学生的教学过程中实施，均取得预期的教学效果。经民主测评，学生的满意度达到了91%，其做法也已受到学院领导充分的肯定。2016年和2017年该课程结束考试成绩分布如图1和图2所示。

四、结语

电磁场与电磁波的教学是一个复杂的系统工程。不同学科、不同课程都有自身不同的特点，不能单纯依靠简单的教学模式和手段，必须在保证教学质量的前提下，对教学方法进行不断探索和创新，更需要在教会学生基础知识的基础上，充分让学生体验新的技术和新的科学，使他们能适应社会的发展。

参考文献：

[1]谢处方.电磁场与电磁波（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]孔令荣，王昊，朱霞，等.“电磁场与电磁波”教学改革研究与实践[J].大学教育，2015（8）：172-173.

[3]赵玲玲.“电磁场与电磁波”教学方法研究[J].大学教育，2013（39）：89-90.